地下明挖隧道基坑变形监测与分析

胡雪明

（杭州城投建设有限公司，杭州 310051）

0 引言

近年来，随着我国地下工程快速发展，城市地铁、隧道及深基坑开挖工程也越来越多。然而，城市建设的高速发展也造成了城市中地下工程面临的施工环境越来越复杂。因此，研究地下工程施工对周边环境影响也成为热点问题。

在众多研究方法中现场监测是最直接反映地下隧道开挖对周边影响的方法。董桂红等[1]和任城等[2]分别对具体深基坑开挖工程的支护结构侧向位移、土体侧向位移、周边地表沉降等监测数据进行分析。李淑等[3]统计分析了北京地铁30个明挖车站的现场实测数据，得出了北京地区地铁车站深基坑开挖引起的地表变形规律。徐凌等[4]通过分析典型支护结构下明挖车站的基坑变形监测数据，建立了支护结构形式与变形影响范围的关系。陈小巍[5]通过分析江苏某地铁车站深基坑工程的现场实测数据，发现第一道内支撑对控制基坑变形起关键作用，建议基坑设计时要特别重视第一道支撑的强度与刚度设计。李福林[6]通过建立三维有限元模型计算得到，当拆除支撑而不及时施作新梁板结构时，将减弱整体支护刚度，引起地层水平位移与沉降。由此可见，目前大部分研究主要集中于监测项目的规律研究。比如地表变形、内支撑轴力及深层土体位移在不同工况下变形规律，而较少研究围护结构形式的不同及内支撑拆除过程中的变形规律。

综上所述，文中结合杭州某地下明挖隧道深基坑工程，结合监测数据，选取3个典型的围护结构即地连墙、SMW 工法桩、咬合桩，首先对比分析现场实测与设计计算的支撑轴力、地表变形及深层土体位移变化规律，其次分析实测支撑轴力在内支撑拆除过程中的变形规律，最后对SMW 工法桩的适用性进行研究，旨在得出一些规律性的结论从而为类似工程提供一定的参考价值。

1 工程概况

杭州市紫金港路工程02 标南起文一西路，北至紫金港路工程01 标（桩号为K2+804.628～K4+110），全长1305.372m，采用地面道路+隧道形式。工程地处杭州城西，土质较差，基本以软土为主。工程隧道采用明挖顺作法施工，基坑支护结构根据开挖深度、地质条件的不同采用多种支护方案：较深处采用地下连续墙、钻孔咬合桩、SMW 工法桩、钻孔灌注桩结合1～4道内支撑的支护围护体系；U 型槽开挖较浅处采用水泥搅拌桩、重力式挡墙、自然放坡等围护体系。工程基坑标准段宽度为24.2m，最大基坑宽度为44.5m，开挖深度1.234～18.368m，局部深度达20.776m。现选取围护结构形式分别为地连墙、SMW 工法桩及钻孔咬合桩的Q-Q、R-R、T-T 剖面基坑。3个剖面所在地质情况具体如下：

Q-Q 剖面：开挖深度为15.5～16m，从上到下分别为：约2m 厚的换填土层，约4m 厚2-2 淤泥质粘土层，约5m 厚3 号淤泥质粉质粘土层，约2.7m 厚6-1粉质粘土层，约2m 厚6-2 粘土层。

R-R 剖面：开挖深度为14.2～15m，从上到下分别为：约2m 厚的换填土层，约1m 厚2-2 淤泥质粘土层，约2m 厚4-1 粉质粘土层，约7m 厚4-2 砂质粉土层，约2～3m 厚4-3 粉质夹砂层。

T-T 剖面：开挖深度为13～13.5m，从上到下分别为：约2m 厚的换填土层，约1m 厚2-2 淤泥质粘土层，约2m 厚4-1 粉质粘土层，约6.5m 厚4-2 砂质粉土层，约1.5～2m 厚4-3 粉质夹砂层。

2 基坑监测

工程基坑监测的主要内容为：地表沉降、基坑边坡变形（测斜）、墙顶水平及竖向位移、地下水位、支撑轴力、立柱沉降、地墙钢筋应力监测、地墙土压力监测。基坑围护结构及监测点布置情况见图1、图2。其中针对剖面Q-Q、R-R、T-T 的支撑轴力测点ZL19、ZL22、ZL24，地表沉降测点DBW30-1～4、DBW35-1～3、DBW40-1～3，测斜点CX30、CX35、CX40 展开研究。

图1 典型基坑剖面图（单位：m）

图2 基坑支护结构及监测点平面图

3个典型剖面Q-Q、R-R、T-T 的主要工序施工时间见表1。

表1 主要工序施工时间

3 监测数据分析

3.1 支撑轴力

基坑的支撑分别布设1个支撑轴力测点，其中剖面Q-Q、剖面R-R 及剖面T-T 的支撑测点分别为ZL19、ZL22、ZL24，轴力监测数据如图3 所示。

从图3 可知，剖面Q-Q 的最大支撑轴力发生在底板垫层混凝土浇筑（工况4），位于第三道支撑，为2504.67kN。同样也可以发现，第一道支撑的支撑轴力在第二道支撑浇混凝土（工况2）后，随着基坑继续开挖至第三道支撑浇混凝土（工况3），逐渐增大，但增长量较小；在基坑继续开挖至底板时，逐渐减小并在底板垫层混凝土浇筑时趋于零；随着支撑逐步拆除（工况5～6），反向增加，并在顶板混凝土浇筑（工况7）后趋于稳定，呈受拉状态。第二道支撑的支撑轴力在第三道支撑浇混凝土后，随着基坑继续开挖至底板时，逐渐增大；随着第三道支撑拆除，有少许降低。

图3 施工段轴力变化

剖面R-R 支撑轴力变化规律与剖面Q-Q 类似，但是剖面R-R 的最大支撑轴力发生在基坑开挖至坑底时，位于第二道支撑，为2322.27kN。且两者支撑轴力数值相比，剖面R-R 第一道、第二道支撑轴力均比剖面Q-Q 大，而且剖面R-R 第一道支撑轴力没有受拉段。

剖面T-T 仅两道支撑，轴力变化曲线与剖面R-R和剖面Q-Q 存在一定差距，第一道支撑轴力随着基坑开挖，逐渐增大，且在第二道支撑拆除时达到最大值，为2079.64 kN。第二道支撑轴力最大值比第一道支撑轴力最大值小。这是由于第二道支撑至坑底的距离小于第一道支撑至第二道支撑的距离。

图3 仅给出底板垫层混凝土浇筑时第三道支撑的轴力值，为了进一步分析第三道支撑轴力的变化特性，着重监测工况3 和工况4 之间土方开挖前后第三道支撑轴力的数值。如图4 所示，剖面Q-Q 和剖面R-R 的第三道支撑轴力在基坑开挖至坑底过程中，土方开挖的第1d 变化量最大，之后是随开挖深度增加逐渐增大，但增加幅度逐渐减小。

图4 支撑轴力随土方开挖变化曲线

在支撑拆除前后，如图5 所示，在第三道支撑拆除后，第一道和第二道支撑梁轴力不是立刻增大的而是逐渐增大，峰值出现在下一道支撑梁拆除后的第4～5d。从图中还可以看出在底板垫层混凝土浇筑完成及第三道支撑拆除后，Q-Q 剖面第一道支撑梁的轴力变为负值（表示受拉），而R-R 剖面第一道支撑梁轴力为正值（表示受压）且第一道、第二道支撑梁轴力在第三道支撑拆后第一天存在减小的情况，之后逐渐增大。这主要是由于Q-Q 剖面施工段的围护墙为800mm厚地连墙，整体刚度大，拆撑后，开挖深度内围护墙的中下部位移比上部增大较多，但在底板及第二道支撑的作用下，从而使第一道支撑变为受拉。而R-R 剖面施工段围护墙为SMW 工法桩，相对来说整体刚度小，在拆撑后开挖深度内围护墙的上、中、下部位移变化量相差不大，因此第一道支撑轴力与未拆撑前变化不大。

图5 支撑轴力随支撑拆除变化曲线

总结来说，第一道支撑轴力均未超过控制值7000kN，第二及第三道支撑轴力均未超过控制值10000kN；但是对于整体刚度较大的围护结构需要关注第一道支撑的受拉轴力值。

3.2 地表沉降

Q-Q 剖面沉降监测点距离围护结构由近及远分别 为DBW30-1、DBW30-2、DBW30-3 及DBW30-4。如图6（a）所示，Q-Q 剖面最大沉降位于DBW30-2，为-26.27mm，最远测点DBW30-4 沉降最小，BW30-1 与DBW30-3 沉降值较接近。从图中还可以看出，2012 年7 月11 日之前即基坑施工至第三道支撑浇混凝土时，地表沉降增长缓慢；2012 年7 月11 日～2012 年8 月17 日即基坑施工从第三道支撑浇混凝土至底板垫层混凝土浇筑过程中，地表沉降增长较快，其中DBW30-2 增长速率为0.34mm/d；基坑继续施工，沉降增长缓慢逐步趋于稳定，达到最大值。

R-R 剖面沉降监测点距离围护结构由近及远分别为DBW35-1、DBW35-2 及DBW35-3。如图6（b）所示，R-R 剖面最大沉降位于DBW35-2，为-27.31mm，最远测点DBW35-3 沉降最小，DBW35-1 与DBW35-2 沉降值较接近。从图中还可以看出，2012 年6 月29日之前即基坑施工至第二道支撑浇混凝土时，地表沉降增长缓慢；基坑从第二道支撑浇混凝土至底板垫层混凝土浇筑过程中，地表沉降增长较快，其中DBW35-2 增长速率为0.31mm/d；基坑继续施工，沉降增长缓慢，在第三道支撑拆除时达到峰值，随后逐步减小。

T-T 剖面沉降监测点距离围护结构由近及远分别为DBW40-1、DBW40-2 及DBW40-3。如图6（c）所示，T-T 剖面最大沉降位于DBW40-1，为-19.88mm，最远测点DBW35-3 沉降最小。从图中还可以看出，基坑施工从第二道支撑浇混凝土至底板垫层混凝土浇筑过程中，地表沉降增长较快，其中DBW40-1 增长速率为0.25mm/d；基坑继续施工，沉降增长缓慢逐步趋于稳定，达到最大值。

图6 地表沉降变化曲线

经过以上分析可知，地表沉降增长较快的是最后一道支撑开挖至坑底的过程中，所以在开挖时应着重监测这一阶段的地表沉降，地表沉降均未超过控制值30mm，满足施工要求。且地表沉降最大点大致位于距离基坑围护结构2～4m 范围内。

3.3 深层土体位移

图7 给出了围护墙外部土体深层土体位移变化规律。位移正值表示向坑内，负值表示向坑外。针对Q-Q 剖面，基坑开挖过程中，围护墙向坑内移动，位移曲线呈现出中间大，两头小的特征，侧移的最大值随着开挖深度的加大而逐渐增大，最大侧移的位置也缓慢下移，其中基坑施工至底板垫层混凝土浇筑时土体侧移增量最大。从图中还可以看出，最大侧移发生在第二道支撑水平线处，由此可以解释图3 第二道支撑受压最大即支撑轴力最大。从而也说明了在此阶段围护墙上部往坑内变形减小，下部增大，特别是在中部处变形最大，但变形增大也是随开挖深度增加逐渐增大的。

图7 深层土体位移时程曲线

分析可知，Q-Q 剖面最大土体水平位移约为21mm，R-R 剖面最大土体水平位移约为28mm，T-T剖面最大土体水平位移约为16mm，均为超出控制值0.5%h（h 为测点处基坑深度）。

3.4 理论值与实测值对比分析

由前文实测结果可知，在整个基坑施工过程中，基坑变形的变化量最大值在基坑施工至底板垫层混凝土浇筑时，其中支撑轴力、土体深层位移、地表沉降都在此阶段出现变化量最大，而这一情况与设计理论计算工况相符，只是现场实测数据基本上小于设计计算值。

从3个剖面实测的土体深层位移变化图与设计理论计算的土体位移图见图8，通过进行比较后，可以发现实测的土体深层位移变化规律与设计理论计算的基本相符，只是每个施工工况的实测值都要小于设计值，约是设计值的1/3 左右，在底板完成后后续变化量较小。但设计理论计算土体深层位移最大值是在结构底板上一道（在文中剖面Q-Q 剖面、R-R 剖面的第三道及剖面T-T 的第二道）支撑梁拆除后，而工程现场实测值是在结构完成后，也就是说现场土体深层位移在拆撑后还是继续增大的，但其最大均未超过设计理论计算的最大值。

图8 设计理论计算基坑的变形曲线

3.5 SMW 工法桩支护应用

从图2 中可以看出在R-R 剖面所在施工段内规划地铁5 号线将从隧道下穿过，为了便于地铁施工时盾构穿过工程的围护墙，故在此段围护墙采用了SMW 工法桩结合三道钢筋混凝土支撑，在此段主体结构完成后，全部拔除工法桩内的型钢。

图9 盾构穿过围护墙布置图（单位：mm）

4 结语

对工程的3 种不同围护结构施工段中现场监测数据的分析以及与设计理论计算的对比，得出以下结论，可为类似工程提供参考。

（1）工程基坑施工过程中安全可控，现场实际施工工况符合设计与规范要求。

（2）在整个基坑施工过程中，最危险工况是在基坑开挖至底板和拆支撑时，此时深层土体位移及地表变形达到最大值。支撑轴力在土方开挖的第一天变化量最大，而在支撑拆除时则在下一道支撑梁拆除后的第4～5d 达到峰值。对于整体刚度较大的围护结构如地连墙形式的围护结构第一道支撑可能出现受拉情况。

（3）当存在规划地铁下穿拟建隧道的情况时，隧道基坑的围护结构可采用SMW 工法桩拔除型钢的做法。该方法在文中依托工程中成功应用，为后期地铁5 号线盾构顺利施工奠定了基础。